水力机械基本知识混流式、轴流式、可逆式及水泵）一、水力机械简介液体通过水力机械其本身能量获得增加的称为水力工作机（各类型泵）；液体通过水力机械其本身能量减少的称为水力原动机（各类型水轮机）；液体通过水力机械其本身能量既无增加又无减少的称为液力传动机。我们工作范围主要是各种水轮机、混流泵及水泵水轮机。到目前为止我们国内水力发电机组常用机型有以下几种：混流式水轮机：应用水头范围从四十多、五十米水头左右到五百米左右，五十米到三、四百米水头段，我们的水平已经和国外先进水平相近，具有同等的竞争实力，但是在四百多到五百米左右水头段我们现在还没有好的转轮，还有待于我们进一步努力，开发出高水平的转轮。轴流式水轮机：应用水头从十几米到四十多米左右，我们水平和国外相比还有很大差距，现在我们正在努力，根据我们最近几年研究发现，差距形成的原因不在水力设计而是在模型试验，模型加工方面，我们的间隙要比国外大很多，这是我们效率低的主要原因，之所以间隙大是我们的静压轴成摆动大，另外我们试验台为水不能加压，做周六试验时空化系数小，转轮可能局部发生空化影响效率。贯流式水轮机：应用水头从几米到十几米，我们到现在已经研制了一套装置正在进行试验，还要摸索、积累经验。冲击式水轮机：应用水头在五百米以上，最高已经达到一千多米，我们现在虽然做过几次模型试验但还没有真正自己开发的转轮，没有进行自主研发。可逆式水泵水轮机：我们现在接触的都是混流式水泵水轮机，应用水头在一百米以上，与冲击式水轮机相似，也是做过几次模型试验，虽然尝试过自主开发，但效果不理想，现在通过打捆招标有所进步，已经开始自行设计研究。混流泵：只针对哈三电厂冷却泵进行过改造效果很好。核电站循环泵：还没有开展工作核潜艇循环泵：还没有开展工作在水力机械术语中经常用到如下参数：.1、水头或扬程H：水力机械进、出口断面处介质单位机械能（每单位重量的介质（如水）的机械能e=p/Y+z+v2/（2g））之差。水轮机中称为水头，指单位重量的液体流过水轮机后，机械能的减值，H=H—h；水泵中称为扬程，指单位stst位差，h是水轮机引水管路水力损失，h是泵下池至入口及出口至上池管路tp水力损失之和。（可应用伯努利方程推导，非常简单。）在模型试验中水头指进出口测量断面的压力差也称为静水头，动水头是根据流量计算出来的。2、流量Q：单位时间内流过一既定过流断面的水流体积（ms/s）。既定过流断面对于水轮机是指转轮进口断面；对于水泵是指转轮出口断面。由此可见水轮机流量指总流量，水泵流量指有效流量。3、转速n水力机械转轮旋转速度。（r/min）,水轮机有n=fX60/P,f电网频率，P为发电机磁极对数。4、轴功率N：水力机械轴单位时间内消耗或输出的机械能（w、kw）。对水轮机而言又称为输出功率，对水泵而言又称为输入功率。5、液体功率N与N:水流单位时间对水轮机付出的机械能N或由水泵获得XgXQXH=9.81XQXH（w）=9.81XQXH/1000.（kw）。tp6、效率nXnXnhqm7、力矩T：水力机械轴上的扭矩。（N.m）和轴功率之间有如下关系：N=TX3=TX2XnXn/60压力脉动、空化系数、吸出高度、安装高程以及单位参数等在以后的篇幅中会有介绍。现在新版IEC标准对水轮机中的概念、参数作了详尽的定义和解释，请参阅。.二、水力机械基本原理引水部件引水部件包括蜗壳和固定导叶，蜗壳使水流形成环量，设计时经常采用环量VuR=常数或切向速度Vu=常数。固定导叶只起支撑作用。水泵原理相同。导水部件导水部件起调整环量及调节流量的作用。流量调节方程推导如下：转轮进口速度矩：VR=VR=VXRXctga=Q/(2nb)Xctga1u10u00r0转轮出口速度矩：VR二UR-VXRXctg0=R23—Q/AXRXctg02u22e代入水轮机基本方程式，并解出流量Q得到流量调节方程：Q=(R23gH/3)/(ctga/(2nb)+R/AXctgp转轮转轮起能量转换作用，水流作用在转轮叶片上的力矩为：Q(VR-VR)，它与转速乘积应该等于水力1u12u21u12u2机械的轴功率，对水泵与水轮机来说，轴功率表示公式不同，故有：水轮机转率为：N=pgQHn由N=M3得出pgQHn1u12u2水轮机基本方程为：H=(VR-VR)3/(gn水泵转率为：N=pgQH/n由N=M3得出pgQH/n1u12u2水泵基本方程为：H=nh1u12u2转轮叶片进出口速度三角形如下所示：图中所示为(进口处导叶开度不变故绝对来流方向不变；出口处叶片安放角不变，故相对速度方向不变；进出口处的牵连速度也不变当水头、或流量变化时，进口相对速度大小、方向，出口绝对速度大小、方向的变化情况。在模型试验中也可以观测到流态的变化，具体可分以下几种情形：3.1小流量叶片靠上冠处头部脱流—叶道涡小流量时叶片头部上冠处脱流现象我们可以通过内窥镜直接从进口看到，也能从出口看到，仍然以图2-1中为例，牵连速度不变，绝对速度方向不变，当.水头较高时绝对速度大，相对速度与牵连速度夹角较大，叶片背面产生脱流；当水头较低时绝对速度小，相对速度与牵连速度夹角较小，叶片正面产生脱流。这两种情况都形成沿上冠往下环、偏出口方向流动的叶道涡。大流量时叶片头部上冠处脱流现象我们可以通过内窥镜直接从进口看到，但不能从出口看到，原因是大流量时叶片头部脱流产生在靠近下环处，垂直方向的流动被下环破坏了。所以这时只能叫脱流而不是叶道涡。与叶道涡同理高水头时脱流产生在叶片背面，低水头时脱流产生在叶片正面。3.3水泵工况的头部脱流情形水泵工况包括可逆式水轮机，这时绝对速度方向不变，一直是法向，牵连速度大小、方向都不变，流量增加时绝对速度增加，相对速度与牵连速度夹角加大，在叶片头部正面产生脱流；流量减小时绝对速度降低，相对速度与牵连速度夹角减小，在叶片头部背面产生脱流，与水轮机不同的是试验中这种正面脱流很难看到，被叶片挡住了。3.4尾水管涡带图2-1中转轮出口叶片出水角不变，所以相对速度的方向不变，但相对速的大小变化时，如果假定牵连速度是不变的，那么可以看出在小流量时绝对速度的方向具有与转轮旋转速度相同的切向分量，而在大流量时绝对速度的方向具有.与转轮旋转速度相反的切向分量，这就是小流量涡带成螺旋状、大流量涡带成柱状的原因，只有最优工况附近，绝对流速法向才没有涡带，称为无涡区。图2-2显示了在综合特性曲线上叶道涡区(最左侧)、螺旋状涡带区、无涡区、柱状涡带区以及正背面脱流区。尾水管转轮出口的位置势能在水轮机安装时就确定了，动能在一定工况下也是确定的，压能却是可以改变的，为了更好的利用水流的压力势能，用尾水管来减小转轮出口的绝对压力，回收流出转轮后的水流的位置势能和动能。如果转轮在大气下出水p=P,出口的水流能量(位置势能Z和动能V2/(2g))就白白损失了,2a2252-5可见尾水管可在转轮出口造成静态真空Z(转轮出口高出下游水面距离)，同时造 成动态线g)-h。如果转轮安装在下游水面以下，Z 就是负值, 252—52此时尾水管的作用是回收流出转轮后的水流的动能。 称为尾水管的回能系数。应该指出v—Q/(n D2/4)是尾水管进口的法向平均速度，切向分量应该是 22 无法回收的。当切向分量v 太大时，尾水管将出现涡带一一引出压力脉动概念； nil(r./nLin]图2-2各种现象综合示意图 .如果回能系数太大，p/Y下降到当时水温下的饱和蒸汽压力时，就会出现空 化――引出空化概念。4.1 压力脉动 压力脉动指压力周期性的变化，振幅、频率是表征它的两个指标，现在有 的学者认为Q QVR(角动量矩)的大小与压力脉动的幅值有关。2u 4.2 流道中某一处的水压力低于汽化压力时，水就汽化，产生气泡，称为空化空化系数是表征空化的指标，推导如下： 叶片上点k处的压力下降到汽化压力时，它与转轮出口处相对伯努利方程 根据尾水管回能公式，写出转轮出口与尾水管出口之间的绝对伯努利方程并代入上式，令：a D=Z-Z 解出： Xk2+入Xk2)=0 vv2w2 exin 上式中：k2=v2/(2gH)；k2=w2/(2gH)；入=(w/w)-1,a 称为内特性指标, v22 w22 在工况一定时，它理论上是定值，我们只有调整a来改变空化，求得空化系数,ex 同时电站安装时也要保证不发生空化，而保证电站吸出高度H(上式中Z)： s2 H=Pa/Y -PV/Y-ka H=10.33-安装高程/900—ka 对于水泵而言尾水管只是起到均匀引水作用。4.3 初生空化与临界空化 空化很难用理论计算的方法求得，现在都是用模型试验的方法测得，试验 中通过改变装置空化系数测得水轮机效率的变化，根据IEC 规定确定临界空化系 数。但是现在人们更关心的是初生空化，出生空化是指随尾水位下降，转轮低压 区刚刚出现微小的空化气泡式的情形。这种情形完全是由于压力减低造成的，对 于水轮机经常出现在出水边叶片背面靠近下环处，但有时候下止漏环或转轮断面 .间隙也会造成初生空化，设计时应尽量避免；水泵水轮机水泵工况容易与叶片进 水边背面脱流(小流量)混淆，其实两者是有区别的，背面脱流特点是沿流线方向， 随工况变化而变化，随压力变化(尾水位或空化系数)也变但不明显，初生空化是 附着在叶片表面，随工况变化不明显，但随压力变化特别明显，即对空化系数的 敏感度特别强，试验中要注意分清。 三、水力机械相似理论火狐电竞火狐电竞